Abstrakt: Návrh obvodu zmiešaného signálu PCB je veľmi komplikované. Usporiadanie a zapojenie komponentov a spracovanie napájacieho a uzemňovacieho vodiča priamo ovplyvnia výkon obvodu a výkon elektromagnetickej kompatibility. Návrh rozdelenia uzemnenia a napájania uvedený v tomto článku môže optimalizovať výkon obvodov so zmiešaným signálom.

Ako znížiť vzájomné rušenie medzi digitálnym signálom a analógovým signálom? Pred návrhom musíme pochopiť dva základné princípy elektromagnetickej kompatibility (EMC): Prvým princípom je minimalizovať oblasť prúdovej slučky; druhým princípom je, že systém používa iba jednu referenčnú plochu. Naopak, ak má systém dve referenčné roviny, je možné vytvoriť dipólovú anténu (Poznámka: veľkosť žiarenia malej dipólovej antény je úmerná dĺžke vedenia, množstvu pretekajúceho prúdu a frekvencii); a ak signál nemôže prechádzať čo najviac, Návrat z malej slučky môže tvoriť veľkú slučkovú anténu (Poznámka: veľkosť žiarenia malej slučkovej antény je úmerná ploche slučky, prúdu pretekajúcemu slučkou a štvorcu frekvencie). Týmto dvom situáciám sa pri návrhu čo najviac vyhnite.

Odporúča sa oddeliť digitálnu zem a analógovú zem na doske so zmiešaným signálom, aby bolo možné dosiahnuť izoláciu medzi digitálnou zemou a analógovou zemou. Hoci je táto metóda uskutočniteľná, existuje veľa potenciálnych problémov, najmä v zložitých rozsiahlych systémoch. Najkritickejším problémom je, že ho nemožno smerovať cez deliacu medzeru. Akonáhle je deliaca medzera smerovaná, elektromagnetické žiarenie a presluchy signálu sa prudko zvýšia. Najčastejším problémom pri návrhu PCB je to, že signálové vedenie pretína rozdelenú zem alebo napájací zdroj a generuje problémy s EMI.

Ako dosiahnuť návrh oddielu PCB so zmiešaným signálom

Ako je znázornené na obrázku 1, používame vyššie uvedený spôsob delenia a signálna čiara prechádza medzerou medzi dvoma uzemneniami. Aká je spätná cesta signálneho prúdu? Za predpokladu, že dve rozdelené uzemnenia sú niekde spojené (zvyčajne jednobodové spojenie na určitom mieste), v tomto prípade zemný prúd vytvorí veľkú slučku. Vysokofrekvenčný prúd pretekajúci veľkou slučkou generuje žiarenie a vysokú zemnú indukčnosť. Ak nízkoúrovňový analógový prúd preteká veľkou slučkou, prúd je ľahko rušený vonkajšími signálmi. Najhoršie je, že keď sa rozdelené uzemnenia spoja pri napájaní, vytvorí sa veľmi veľká prúdová slučka. Okrem toho sú analógové uzemnenie a digitálne uzemnenie spojené dlhým drôtom, aby vytvorili dipólovú anténu.

Pochopenie cesty a spôsobu návratu prúdu do zeme je kľúčom k optimalizácii návrhu dosky plošných spojov so zmiešaným signálom. Mnoho konštruktérov berie do úvahy iba to, kde prúdi signál, a ignorujú špecifickú cestu prúdu. Ak musí byť zemná vrstva rozdelená a vedenie musí byť vedené cez medzeru medzi deleniami, môže sa medzi rozdelenými uzemneniami vytvoriť jednobodové spojenie, aby sa vytvoril spojovací most medzi dvoma uzemneniami, a potom vedenie cez spojovací mostík . Týmto spôsobom môže byť pod každým signálnym vedením poskytnutá spätná cesta jednosmerného prúdu, takže vytvorená oblasť slučky je malá.

Použitie optických izolačných zariadení alebo transformátorov môže tiež dosiahnuť signál cez segmentačnú medzeru. V prvom prípade je to optický signál, ktorý prechádza segmentačnou medzerou; v prípade transformátora je to magnetické pole, ktoré prechádza segmentačnou medzerou. Ďalšou realizovateľnou metódou je použitie diferenciálnych signálov: signál prúdi z jedného vedenia a vracia sa z iného signálneho vedenia. V tomto prípade nie je potrebná zem ako spiatočná cesta.

Aby sme hlbšie preskúmali interferenciu digitálnych signálov s analógovými signálmi, musíme najprv pochopiť vlastnosti vysokofrekvenčných prúdov. Pre vysokofrekvenčné prúdy vždy zvoľte cestu s najmenšou impedanciou (najnižšia indukčnosť) a priamo pod signálom, takže spätný prúd bude tiecť cez susednú vrstvu obvodu, bez ohľadu na to, či susedná vrstva je výkonová vrstva alebo zemná vrstva. .

V skutočnej práci sa vo všeobecnosti prikláňa k použitiu jednotného uzemnenia a rozdeleniu PCB na analógovú časť a digitálnu časť. Analógový signál je smerovaný do analógovej oblasti všetkých vrstiev dosky plošných spojov a digitálny signál je smerovaný do oblasti digitálneho obvodu. V tomto prípade spätný prúd digitálneho signálu nebude tiecť do zeme analógového signálu.

Len keď je digitálny signál zapojený do analógovej časti dosky plošných spojov alebo je analógový signál zapojený do digitálnej časti dosky plošných spojov, objaví sa rušenie digitálneho signálu s analógovým signálom. Tento druh problému sa nevyskytuje, pretože neexistuje žiadna rozdelená zem, skutočným dôvodom je nesprávne zapojenie digitálneho signálu.

Návrh dosky plošných spojov využíva jednotné uzemnenie, prostredníctvom digitálneho obvodu a analógového obvodu a vhodného zapojenia signálu, zvyčajne môže vyriešiť niektoré zložitejšie problémy s usporiadaním a zapojením a zároveň to nespôsobí nejaké potenciálne problémy spôsobené rozdelením zeme. V tomto prípade sa rozloženie a rozdelenie komponentov stáva kľúčom k určeniu výhod a nevýhod dizajnu. Ak je usporiadanie primerané, digitálny zemný prúd bude obmedzený na digitálnu časť dosky plošných spojov a nebude rušiť analógový signál. Takáto elektroinštalácia musí byť starostlivo skontrolovaná a overená, aby sa zabezpečilo, že pravidlá elektroinštalácie sú 100% dodržané. V opačnom prípade nesprávne vedenie signálneho vedenia úplne zničí inak veľmi dobrý obvod.

Pri prepájaní analógových uzemňovacích a digitálnych uzemňovacích kolíkov A/D prevodníka dohromady väčšina výrobcov A/D prevodníkov navrhuje: Pripojte kolíky AGND a DGND k rovnakému uzemneniu s nízkou impedanciou cez najkratší vodič. (Poznámka: Pretože väčšina čipov A/D prevodníkov nepripája analógovú zem a digitálnu zem dohromady, analógová a digitálna zem musia byť prepojené cez externé kolíky.) Akákoľvek externá impedancia pripojená k DGND prejde parazitnou kapacitou. Viac digitálneho šumu je spojené s analógovými obvodmi vo vnútri IC. Podľa tohto odporúčania musíte pripojiť piny AGND a DGND A/D prevodníka k analógovej zemi, ale tento spôsob spôsobí problémy, ako napríklad to, či má byť uzemňovacia svorka kondenzátora na oddelenie digitálneho signálu pripojená k analógovej zemi. alebo digitálna zem.

Ako dosiahnuť návrh oddielu PCB so zmiešaným signálom

Ak má systém iba jeden A/D prevodník, vyššie uvedené problémy sa dajú jednoducho vyriešiť. Ako je znázornené na obrázku 3, rozdeľte uzemnenie a pripojte analógové uzemnenie a digitálne uzemnenie pod A/D prevodníkom. Pri použití tejto metódy je potrebné zabezpečiť, aby šírka spojovacieho mostíka medzi dvoma uzemneniami bola rovnaká ako šírka IC a žiadne signálne vedenie nemohlo prekročiť deliacu medzeru.

Ak je v systéme veľa A/D prevodníkov, ako napríklad pripojiť 10 A/D prevodníkov? Ak je analógová zem a digitálna zem prepojená pod každým A/D prevodníkom, vytvorí sa viacbodové spojenie a izolácia medzi analógovou zemou a digitálnou zemou nemá zmysel. Ak sa nepripojíte týmto spôsobom, porušuje to požiadavky výrobcu.